黄丘区野外坡面土壤水分变化对次降雨过程的响应

2018-10-22何子淼肖培青郝仕龙杨春霞

中国水土保持科学 2018年4期

何子淼,肖培青,郝仕龙,杨春霞

(1.华北水利水电大学,资源与环境学院,450045,郑州;

2.黄河水利科学研究院,水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室,450003,郑州;3.南阳师范学院,南水北调中线水源区水安全河南省协同创新中心,473061,河南南阳)

黄土高原是世界上水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区。土壤水分作为地下水、地表水、大气水联系的纽带[12],在水资源形成、转换、消耗、循环的过程中起着重要作用[34],对植被的生长有显著影响,一直是制约区域生态环境建设的关键因子。

土壤水分是水分入渗量与蒸发耗散量共同作用的结果,受降雨与蒸发的季节性变化影响,土壤水分表现为明显的季节性变化特征[57]。陈洪松等[2]的研究结果表明,黄土高原沟壑区荒草地和裸地的土壤水分循环特征随季节的变化可以划分为3个时期,即春季失墒期、夏秋增失交替期、冬季相对稳定期。宁婷等[5]在黄丘区上黄生态试验站的研究结果表明,区域土壤水分储量的季节变化表现为先减少后增加的为“V”型变化趋势。由于地形等因素的影响,土壤水分表现为垂直方向上变异性特征和水平空间的相关性特征。王瑜等[8]研究陕北黄土区不同林地类型土壤水分垂直变化规律,发现人工油松林地及山杏林地土壤水分随土层深度的增加呈逐渐减少趋势,人工沙棘林地及荒草地土壤水分随土层深度的增加呈逐渐增加趋势。王军等[9]结合地理信息系统(GIS),利用地统计学方法研究了黄土丘陵区小流域土壤水分的空间结构特征,认为土壤水分的分布与空间结构特征具有强烈和中等程度的空间自相关性。目前关于野外土壤水分运动的研究侧重于降雨前后土壤水分的变化规律,以雨后观测数据为主。关于降雨过程中土壤水分变化的研究较少,尤其是暴雨作用下土壤水分运动的规律不很多,研究降雨与土壤水分之间的关系对阐明土壤水分再分布、有机质迁移过程的模拟有着重要的作用[7,10]。鉴于此,本文对野外坡面进行定位观测,并结合人工降雨模拟试验,研究降雨过程中土壤水分垂直变化规律与空间变异特征,阐明暴雨对土壤水分变化规律的影响,为黄丘区坡面水资源高效利用及植被恢复和生态重建提供科学依据与理论指导。

1 研究区概况

研究区设在天水市罗玉沟水土保持科学试验站,位于甘肃省天水市北郊。罗玉沟流域地处E 105°30′～105°45′,N 34°34′～34°40′之间,是黄河流域渭河一级支流籍河的一条支沟(图1),属于黄土丘陵沟壑区第3副区,为典型的黄土丘陵地形地貌,沟壑密度3.54 km/km2。该流域属温带大陆性气候和亚热带气候的过渡地带,年平均气温为7～11℃,多年平均降雨量约533.7 mm,其中5—10月的降雨量约占年降雨量的80%,且多以暴雨形式出现,降雨范围小,历时短,强度大。该区多年平均侵蚀模数 5 510 t/(km2·a)。

流域土壤类型主要为褐土、黑垆土和红黏土,土壤结构疏松多孔,总的孔隙度约为50%,可耕性良好,但板结严重,通气透水性能较差;土壤具有绵酥性,结持力小,抗蚀性差。土壤剖面具有明显的分层现象,大致可划分为3层：A层,一般厚度20～25 cm,质地为轻壤,多为粒状到细核状结构;B层,厚度50～80 cm,质地为中壤,核状结构,较密实;C层,根据母质类型而有较大的变异,如黄土状母质则疏松而深厚等。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of the study area

图2 小区布设Fig.2 Experimental setup

2 试验设计与研究方法

2.1 试验小区

经实地查勘和比选,选定在罗玉沟流域下游一块天然撂荒地坡面布设野外试验小区,小区坡度约15°,海拔约1 500 m。小区地表植被以草类为主,主要有小冠花(Coronilla varia L.)、龙须草(Juncus effusus),覆盖度约30%。试验小区共10个,长10 m,宽2 m,面积为20 m2(图2)。

2.2 试验装置

试验降雨装置采用QYJY-501人工模拟降雨系统设备,由主控器、水泵、降雨喷头、雨量计和数据下载分析软件等部分组成。降雨装置通过雨量计数据对降雨进行实时反馈调控,所形成的降雨在降雨强度、雨滴落速、雨滴粒径等方面与天然降雨有80%以上的相似度。根据以往研究关于降雨对土壤影响的深度[1113],确定本研究土壤水分测量的范围为0～100 cm。土壤水分采用土壤剖面水分测定仪(PR2/6)进行检测,仪器使用先进的FDR技术,在1根探杆上同时分布6个土壤水分探头,实现同地点 10、20、30、40、60、100 cm 深度处土壤体积含水量的测定。同时在试验站用烘干法测定小区土样土壤含水量,对土壤剖面水分测定仪检测数据进行检验、校正。

2.3 试验设计

试验时间为2016年7—9月。根据当地草被被覆特征,在3、4、8、10小区上中下3处位置布设观测点,用以观测土壤剖面水分。天然状态下,每天早上、傍晚2个时段连续对试验小区土壤水分进行动态观测。降雨试验中,根据当地季节降雨特征,选择模拟降雨强度为90 mm/h,降雨历时为60 min。每场次降雨至少重复1次,然后根据试验现场情况和试验结果进行补充试验,共进行10场降雨试验。降雨前,先用雨布遮盖小区,降雨强度率定后,撤掉雨布,开始试验;试验中,利用挡风棚减弱风因素的影响。

2.4 数据采集与方法

2.4.1 土壤物理性状土壤物理性状对土壤水分运动有重要影响,试验前,测定不同深度的土壤物理性状。用密封袋依次采集不同深度土壤颗分样品土样,在黄科院工力学所用激光粒度仪法进行颗粒分析。土壤饱和导水率数据采用SW080B土壤张力入渗仪获取不同土层深度饱和导水率,每个土层深度饱和导水率为同一土层获取的3组数据的平均值。土壤密度测定采用环刀法,对采集点土壤进行取样,烘干、称量后获得的土壤密度约为1.38 g/cm3。不同土层深度的土壤物理性状见表1。

2.4.2 土壤水分土壤水分数据的测量包括2个阶段,第1阶段为天然状态下野外坡面动态监测阶段,获得210组数据;第2阶段为模拟降雨阶段,获得216组数据。根据变异系数Cv和标准差S 2个指标,应用Excel实现土壤水分差异性层次的划分,其计算公式分别为：

2.4.3 产流量与产沙量试验过程中,利用径流桶对径流泥沙样进行收集,每隔2 min收集1次,持续到试验结束;试验后,通过标准桶体积测量获取径流量,采用烘干法与比重法相互校正的方法,获得产流量和产沙量。

表1 不同土层深度的土壤物理性状Tab.1 Physical properties of soil for different soil layers

3 结果与分析

3.1 天然条件下土壤水分垂直运动变化特征

土壤水分的垂直变化受降雨入渗、地下水补给以及蒸散过程的影响[1415],与土壤结构、土壤物理性质、气候、观测时间、地表被覆、地形等因素也密切相关[1618]。不同剖面土壤水分垂直变化的定量化描述一般采用变异系数和标准差2个指标,将剖面土壤水分垂直变化的层次划分为：速变层(Cv＞30%和标准差S＞4)、活跃层(Cv=20% ～30%和标准差S=3～4)、次活跃层(Cv=10% ～20%和标准差S=2～3)和相对稳定层(Cv＜10%和标准差S＜2)[23]。土壤水分的标准差(S)和变异系数(Cv)反映了各土层土壤水分运动的活跃程度,土壤水分的方差和变异系数越大,意味着该层土壤水和大气水交替变换越频繁[5]。

根据野外坡面土壤水分动态监测结果,计算不同土层深度的土壤水分标准差和变异系数,研究区坡面土壤水分垂直变化层次可以划分为4层(表2),0～10、10～20 cm土层范围为速变层,20～30 cm土层范围为活跃层,30～40 cm土层范围为次活跃层,40～60、60～100 cm土层范围为相对稳定层。由表2可见,40 cm土层深度是土壤水分活跃层和相对稳定层的分界线,土壤水分与外界交换的土层主要集中在0～40 cm范围内;研究结果表明,标准差和变异系数随土层深度的增加,总体呈现不断减小的趋势,但在10～20 cm土层范围内出现突变,这一现象可能与地表土壤形成板结或结皮有关。与陈洪松等[2]在黄土区的研究结果相比,土壤水分垂直变化均可划分为4层,不同之处为黄土丘陵区速变层、活跃层深度增大,原因可能为黄土区研究结果为6—8月,而黄丘区野外坡面的研究在7—9月,气温不同,蒸发量不同,进而对土壤水分运动产生影响。

3.2 天然条件下土壤水分空间分布变异特征

坡面土壤水分的空间分布主要受土层深度和地形位置的影响。图3示出土壤含水量在土层中的垂直分布情况,短线为该组数据的标准误差,标准误差最大值为0.52,平均值为0.27。图3和图4中同一坡位的土壤水分变化曲线表明,土壤水分在土层中的分布表现为,随土层深度的增加,土壤水分整体呈现先增大后减小的趋势。0～40 cm土层范围内,土壤水分层间差异性较大,40～60 cm土层范围与60～100 cm土层范围,土层间土壤水分差异性较小。王瑜等[8]在陕北黄土区的研究认为,土壤水分随土层深度的变化呈线性相关关系,土壤水分波动在70 cm深度处才趋于稳定并逐渐减小。与本文结果略有不同,分析原因认为,土壤水分在土层中的分布是土壤分子力、毛管力和重力共同作用的结果,与土壤质地有密切关系。该研究区土壤有典型的分层现象,对比发现,研究区土壤水分含量变化节点与土壤分层厚度具有一致性。

表2 野外坡面不同深度土壤含水量垂直变化Tab.2 Vertical variation of soil moisture at different depths of slope

图3 不同深度土壤水分垂直分布(平均值±标准误差)Fig.3 Vertical distribution of soil moisture at different soil depths(Mean±SE)

图4 不同深度土壤水分变异系数Fig.4 Variation coefficient of soil moisture at different soil depths

对不同时段不同坡位土壤含水量差异性分析,表明不同坡位间土壤水分分布的变化具有显著的空间变异特征,上坡位与中坡位显著性水平P=0.03,中坡位与下坡位显著性水平位P=0.04,上坡位与下坡位显著性水平P=0.01。不同坡位间相同土层土壤含水量在0～20 cm土层范围内差异性较大,随土层深度的增加,不同坡位间相同土层土壤含水量差异性不断缩小,且变化方向趋于一致。在0～20 cm土层范围内,上坡位土壤水分含量相对较低。安装土壤剖面水分测量管时,发现试验小区上坡位10～20 cm深度处存在砂浆层,由于砂浆层吸水、保水能力较差,导致该层土壤含水量相对较低。

3.3 暴雨作用下不同层次土壤水分变化特征

降雨过程中,土壤水分观测数据的统计分析结果见表3,与表2对比,可以发现连续降雨过程中土壤水分垂直变化与天然状态时相比有明显差别。降雨过程中,0～100 cm深度范围内土壤水分方差和变异系数都显著增大,并且次活跃层土层范围扩大、稳定层消失,这表明降雨能增加土壤水分的活跃程度。不同土层土壤水分含水量方差最大值为7.87,最小值为1.65,变异系数最大值为61.28%,最小值为11.4%,两者之间的差值明显增大;从方差和变异系数增加的比率来看,降雨增大土层间变异性的差异,但随土层深度的增加,降雨对土壤水分活跃程度的影响逐渐减弱;30 cm土层深度以上部分,相邻土层的方差和变异系数差别较大,30 cm土层深度以下部分,相邻土层方差和变异系数差别较小,表明降雨对土壤水分活跃性的影响主要表现在0～30 cm土层范围内。

表3 降雨过程中土壤剖面土壤含水量动态变化Tab.3 Dynamic changes of soil moisture in soil profile under continuous rainfall

降雨入渗对土壤水分的补给与再分布是1个由浅入深的缓慢变化过程,具体表现为深层土壤水分补给的时间延迟性和不同位置土壤水分再分布的变异性[5,14]。根据降雨过程中观测的数据,绘制出降雨过程中不同坡位、各层土壤体积含水量随时间变化的曲线(图5、图6和图7)。

图5 上坡位降雨过程中不同土层深度土壤含水量变化Fig.5 Variation of soil moisture during rainfall on uphill slope at different soil depths

图6 中坡位降雨过程中不同土层深度土壤含水量变化Fig.6 Variation of soil moisture during rainfall on midhill slope at different soil depths

图7 下坡位降雨过程中不同土层深度土壤含水量变化Fig.7 Variation of soil moisture during rainfall on downhill slope at different soil depths

对比不同深度土壤含水量变化可以发现,降雨后,不同深度土层土壤含水量表现出不同的起伏变化过程。0～10 cm土层土壤含水量对降雨的反应最为迅速,从降雨开始,该土层范围土壤含水量就迅速增加;随着降雨的持续,不同深度土层土壤含水量依次出现增加趋势,只是相邻土层间土壤含水量出现增加的时间间隔不断增大,增加速度不断趋缓。这体现了降雨作用下不同土层深度土壤水分随时间的变化过程,即雨水从表层土壤开始向下入渗,穿过相同厚度的土层,土层深度越深,需要的时间越长,流经的水量越少。表明水分在土壤中的流动并不均匀,存在梯度性差异。

试验过程中,0～30 cm土壤含水量在降雨前期增加较快,中间时段增加速度趋缓,后期甚至出现下降的趋势。出现这种现象的主要原因是不同土层土壤前期含水量不同,土壤水分变化与土层中所受作用力及水分的运动速度有关。降雨初期,水分在分子力、毛管力和重力共同作用下快速下渗,其中以毛管力作用为主,随着降雨的继续,地表土壤逐渐被浸润、溅散,土壤毛管开始被溅散的泥土堵塞,同时表层土壤水分增加,吸水能力下降的影响,表层土壤入渗的速度不断下降,伴随表层土壤水分向下的渗透,表层土壤含水量增速逐渐减慢;在这个过程中,表层土壤水分入渗补给不断减缓,并且不断向深层土壤渗透,呈现出深层土壤水分补给时间与降雨时间的不一致性。根据野外土壤剖面观测和不同深度土层土壤颗粒分析,该区土壤有明显的分层现象,浅层土壤质地为轻壤,深层土壤为较密实的核状结构,不同层次的土壤水分运动与土壤质地和结构也密切相关。与天然情况下相比,除0～30 cm土层土壤水分变化明显外,其余各土层间土壤水分间距变化不大,且降雨中各土层间水分变化曲线交叉较少,说明降雨入渗增加了各土层土壤含水量,但是,对各层间土壤含水量在整体土层范围中土壤含水量的占比影响较小。

与图4相比,图8降雨过程中不同坡面的变异系数差异不很明显。由图5、6、7发现,降雨过程中坡位对土壤水分的影响主要体现在降雨后期,此阶段中坡位相较于上坡位,土壤水分下降速度趋缓,下坡位相较于中坡位,土壤水分下降速度更缓,0～20 cm土层范围土壤含水量还略有上升。土壤含水量存在下坡位＞中坡位＞上坡位的现象,分析原因,在蒸发耗散量相同的情况下,坡位对土壤水分的影响主要体现在产流性降雨过程中,由于雨水自上而下运动,下坡位接受雨水的时间增长,入渗量增多,土壤含水量也就较大。入渗量差异的大小与坡长、坡度密切相关。对降雨过程中不同坡位土壤含水量分布的差异性分析,各坡位间显著性水平P值均小于0.01,表明降雨过程过程中不同坡位土壤含水量差异性极显著。

图8 降雨过程中不同深度土壤水分变异Fig.8 Changes of soil moisture during rainfall at different soil depths

3.4 土壤水分变化与产流、产沙关系

土壤水分变化对坡面径流和侵蚀产沙过程有一定影响。上述研究成果表明,降雨对土壤水分的影响主要表现在0～30 cm土层范围内,因而,重点分析0～30 cm土层范围平均土壤含水量变化与产流、产沙的关系。

由图9可见：随降雨的持续,土壤含水量与产流速率总体呈同步增加的变化趋势。0～30 min内,土壤含水量和产流速率增加迅速;30～50 min内,土壤含水量和产流速率增加速度趋于平缓;50～60 min阶段,土壤含水量出现略微的下降,产流速率进一步增大、并趋于稳定。降雨中,忽略蒸发因素的影响,雨水一部分入渗形成土壤水,另一部分在地表汇聚形成径流,随着土壤的浸润、饱和,土壤水分增加的速率不断减小,相应的产流速率增加速度趋缓。由图10可见：产沙速率随土壤含水量的变化总体呈现先增加后下降的变化趋势,降雨0～20 min内,产沙速率略微上升;20～40 min内,产沙速率快速下降;40～60 min内,产沙速率缓慢下降。形成这种变化趋势的原因是,降雨初期由于土壤表面疏松,地面物质补给能力强,产生较大的产沙量,随着土壤含水量不断增加,地表土壤不断被浸润,伴随着径流速率增加缓慢的趋势,坡面产沙速率呈下降的趋势。降雨40 min之后,随着表层土壤不断被侵蚀,坡面形态相对发育稳定,尽管土壤含水率呈现出上升的趋势,坡面产沙速率却表现出下降的趋势。

图9 土壤含水量与产流变化关系Fig.9 Relationship between soil moisture and runoff

4 结论

1)天然状态下野外坡面土壤水分动态监测结果表明,土壤水分的垂直变化可以划分为速变层、活跃层、次活跃层和相对稳定层,土壤水分随土层深度的增加,呈现先增大后减小、先变化大后变化小的趋势,且0～40 cm土层范围内差异较大。

2)暴雨作用下不同层次土壤水分的活跃性明显增加,降雨对土壤水分活跃性的影响主要表现在0～30 cm土层范围内,且随土层深度的增加,降雨对土壤水分活跃程度的影响逐渐减弱。模拟降雨中土壤水分随时间变化表现快速上升期、稳定期、略微下降期3个阶段,土壤含水量明显存在下坡位＞中坡位＞上坡位的现象。土壤水分在不同土层土壤中的流动存在梯度性差异和非均匀性特征。